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本论文主要采用静电自组装法制备了碳纳米管(CNTs)/环氧树脂(Ep)复合材料,以711树脂为基体对比分析了直接混合法和静电自组装法制备CNTs/Ep复合材料性能的差异,然后采用静电自组装法以Jy-257树脂为基体探究了普通碳纳米管(MWCNTs)和羧基化碳纳米管(MWCNTs-COOH)对CNTs/Ep复合材料性能的影响。分别采用表面电阻测试仪、热失重分析、导热系数测定仪、万能材料试验机对复合材料的电学、热学、力学性能进行了测试分析,并借助了TEM和SEM对材料的形貌进行了表征。
首先用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为阳离子分散剂在超声辅助下制备了正电性的CNTs分散液;其次以十二烷基磺酸钠(SDS)作阴离子乳化剂采用相反转法成功制备负电性的Ep乳液;最后将电性相反的CNTs分散液和Ep乳液静电自组装形成CNTs/Ep复合材料。TEM研究发现,二者自组装形成了“葡萄藤”状网络结构,实现了CNTs在Ep中的均匀分散。
以711型Ep为基体对比研究了直接混合法和静电自组装法对复合材料导电能力的影响,结果表明,采用静电自组装法,CNTs分散更加均匀,导电能力更好,加入2wt%CNTs时,静电自组装法制备的复合材料表面电阻率下降了4个数量级,而直接混合法仅降低了2个数量级;以Jy-257型Ep为基体探究了不同固化剂对复合材料导电能力的影响,结果表明脂环胺类固化剂比聚酰胺类固化剂与CNTs具有更好的相容性,导电能力较好,通过实验研究发现三种固化剂导电能力由强到弱的顺序依次为:JA-122＞TSH＞3051。以Jy-257型Ep为基体采用静电自组装法探究了MWCNTs和MWCNTs-COOH对复合材料导电能力的影响。研究发现CNTs酸化后,表面可引入羧基官能团,增加了其反应活性,但是MWCNTs-COOH表面结构被破坏,导电能力下降,并且与Ep基体界面结合增强,也不利于导电网络的构建,因此制备的复合材料导电能力变差。加入3wt%CNTs,MWCNTs/Ep的表面电阻率为107Ω,而MWCNTs-COOH/Ep为1010Ω。
以711型Ep为基体对比分析了直接混合法和静电自组装法对复合材料热稳定性能的影响。结果表明,加入适量的CNTs可以提高711树脂在空气中的热稳定性,在一定程度上克服了Ep耐热性差的缺点,自组装法由于分散均匀对提高Ep热稳定性贡献更大。以Jy-257型Ep为基体采用静电自组装法探究了MWCNTs和MWCNTs-COOH对复合材料热稳定性的影响。研究发现,两种碳纳米管的加入均能提高Ep在空气中的热稳定性,但由于MWCNTs-COOH结构被破坏,热稳定性弱于MWCNTs制备所得复合材料。而对材料的导热能力研究也发现,加入3wt%CNTs,MWCNTs/Ep的导热系数为0.5725W/mK,而MWCNTs-COOH/Ep的导热系数为0.5022W/mK。
以711型Ep为基体对比分析了直接混合法和静电自组装法对Ep力学性能的影响。结果表明,加入CNTs后,提高了711树脂的力学性能,与直接混合法相比,静电自组装法所得材料力学性能表现更好。添加1wt%CNTs,与纯树脂基体相比,静电自组装法制备的复合材料的拉伸强度、拉伸模量和抗冲击强度分别提高153%、100%和91%,而直接混合法分别提高117%、175%和82%。以Jy-257型Ep为基体采用静电自组装法探究了MWCNTs和MWCNTs-COOH对Ep力学性能的影响。结果表明,MWCNTs-COOH与Jy-257型环氧树脂基体界面结合作用力更强,力学性能优于未经处理的MWCNTs。CNTs含量为0.5wt%时,MWCNTs/Ep的拉伸强度、弯曲强度和抗冲击强度相较于纯树脂分别提高-30.95%、6.58%和15.2%;而MWCNTs-COOH/Ep的拉伸强度、弯曲强度和抗冲击强度相较于纯树脂则分别提高17.59%、7.85%和28.37%。